Высоковольтная электрофизика

Высоковольтная электрофизика - научная школа, созданная в Томском политехническом институте после организации в 1946 г. кафедры техники высоких напряжений, руководимой профессором А.А. Воробьевым. Высоковольтная электрофизика получила развитие на кафедре техники высоких напряжений, а также в НИИ высоких напряжений и НИИ ядерной физики. Большой вклад в развитие этого направления в Томском политехническом институте (университете) внесли ученые-электрофизики А.А. Воробьев, В.Я. Ушаков, А.А. Дульзон, И.И. Каляцкий, А.Т. Чепиков, В.И. Курец, Г.М. Кассиров, Г.А. Месяц, С.Г. Боев, В.В. Лопатин, Б.В. Семкин, Н.А. Ратахин, Г.А. Воробьев.

В 1946 г. для подготовки инженеров-электриков по технике высоких напряжений в Томском политехническом институте под руководством и по инициативе профессора Александра Акимовича Воробьева была организована кафедра техники высоких напряжений.

В лаборатории кафедры в 1947 г. был создан первый в Союзе бетатрон, в 1956 г. сооружена первая на Востоке страны высоковольтная лаборатория. В 1960 г. на кафедре открыт высокоэффективный электроимпульсный способ разрушения и обработки твердых тел.

Сотрудники кафедры ТВН принимали активное участие в организации и работе научно-исследовательских проблемных лабораторий электроники, диэлектриков и полупроводников и электроимпульсного разрушения твердых тел («Кедр»). Достигнутые научные результаты послужили основанием для создания в 1968 г. НИИ высоких напряжений при ТПИ, а затем и института сильноточной электроники Томского филиала АН СССР. Основным составом научных сотрудников этих крупных научных учреждений явились выпускники кафедры и ее аспирантуры.

В 1944 г. в Томском политехническом институте была открыта аспирантура по специальности «Техника высоких напряжений», через которую осуществлялась подготовка научных и педагогических кадров для ТПИ, вузов и научных учреждений других регионов страны.

Базой для подготовки кадров и проведения исследований явилась созданная в 1955 - 1959 гг. первая в Сибири высоковольтная лаборатория, оснащенная установками для получения сверхвысоких постоянных, переменных и импульсных напряжений. к середине 60-х гг. лаборатория располагала современной регистрирующей и измерительной аппаратурой: скоростными фоторегистраторами, теневыми установками, электронно-оптическими преобразователями, импульсной осциллографической аппаратурой микро-и наносекундного диапазона и др.

Прогрессивная техника физического эксперимента позволила развернуть широкие исследования по физике пробоя диэлектриков, проводимые под руководством А.А. Воробьева сотрудниками кафедры ТВН и созданной в 1953 г. проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников.

Одновременно с изучением природы электрического пробоя диэлектриков на кафедре ТВН в 1950-х гг. велись поисковые исследования по применению электрических разрядов для целенаправленного разрушения горных пород и твердых материалов, названного электроимпульсным. Работы в области электроимпульсной технологии стимулировали новые физические и прикладные исследования по высоковольтной импульсной технике. (Г.А. Воробьев, Г.А. Месяц), изучению явления электрического взрыва проводников и разработке высоковольтных средств взрыва (М.А. Мельников, В.Б. Шнейдер) и изучению искры как источника механических и иных возмущений (руководитель - Б.В. Семкин). Значительный вклад в теорию и практику импульсного электрического пробоя жидкостей внесли исследования основных электрофизических характеристик и механизмов разряда в жидких диэлектриках, выполненные под руководством В.Я. Ушакова.

Исследования в области высоковольтной электротехнологии позволили создать к 1965 г. базу подготовки на кафедре ТВН инженеров по новой специальности "Инженерная электрофизика".

Развитие научных исследований на кафедре ТВН в области физики пробоя диэлектриков, ускорительной и высоковольтной импульсной техники, а также активная подготовки инженерных и научно-практических кадров послужили основой для создания в ТПУ новых учебных и научных подразделений - физико-технического и электрофизического факультетов, НИИ ядерной физики, НИИ высоких напряжений, Института сильноточной электроники СО АН СССР, нескольких кафедр по новым направлениям подготовки специалистов.

Результаты научных исследований сотрудников кафедры ТВН и НИИ высоких напряжений обобщены в многочисленных статьях и в целом ряде монографий, учебников и учебных пособий.

Высоковольтники Томского политехнического института были инициаторами и организаторами проведения в Томске Всесоюзных конференций и совещаний по физике пробоя диэлектриков, высоковольтной технике и электроимпульсной технологии.

Одним из основных научных направлений Томской школы высоковольтников является исследование электрического пробоя различных диэлектрических сред (вакуума, газа, жидкостей и твердых диэлектриков) преимущественно на импульсных микро-и наносекундного диапазона и электрического старения монолитной полимерной изоляции.

Исследование вакуумного пробоя, начатые Г.М. Кассировым на кафедре ТВН в 1961 г., были по существу первыми в СССР работами по наносекундному вакуумному пробою. Они позволили установить основные временные характеристики и количественные данные об электрической прочности технического вакуума. В последующем эта тематика получила бурное развитие под руководством Г.А. Месяца, вначале в НИИ ядерной физики при ТПУ, а затем в институте сильноточной электроники СО АН СССР. Были установлены фундаментальные физические закономерности вакуумного пробоя, а явление взрывной эмиссии зарегистрировано как научное открытие.

Исследование пробоя газов, начатые в 1959 г., были ориентированы на электроимпульсную технологию и выяснение возможности электроимпульсной проходки скважин и среде сжатого газа. Для этого были исследованы вольт-секундные характеристики газов, газовых смесей и паров при повышенных давлениях и температурах (имитация условий при бурении свехглубоких скважин). Впоследствии работы по газовому разряду (руководитель - Г.С. Коршунов) были ориентированы на создание газонаполненных сильноточных искровых коммутаторов.

В предвоенные годы в Томском политехническом институте были начаты работы по исследованию электрического пробоя жидких диэлектриков. Целью их было выяснение особенностей поведения изоляции маслонаполненных высоковольтных аппаратов, работающих на открытом воздухе в условиях суровых сибирских зим. Были найдены эффективные способы уменьшения вязкости трансформаторных масел без заметного снижения электрической прочности. В последующем работы по пробою жидкостей стимулировались развитием электроимпульсной технологии. Это существенно расширило набор исследуемых жидкостей (трансформаторное и солярное масло, техническая и очищенная вода, суспензии, эмульсии) и условия их испытаний (температура, параметры испытательных импульсов, геометрия разрядных промежутков). Результаты этих исследований были положены в основу выбора промывочных жидкостей, конструкций породоразрушающих иструментов, параметров высоковольтных импульсов.

Работы сотрудников ТПИ по пробою и разрушению твердых диэлектриков, выполнявшиеся в течение четверти века под руководством А.А. Воробьева, нашли признание в СССР и за рубежом. Именно исследования физики пробоя твердых диэлектриков стимулировали развитие в Томске высоковольтной наносекундной техники и послужили основой для работ по электроимпульсной технологии, радиационной физике твердого тела, тонкопленочной изоляции для устройств микроэлектроники.

Основные направления работ в области электроимпульсной технологии базируются на установленном в 1958 г. А.А. Воробьевым, Г.А. Воробьевым, А.Т. Чепиковым явлении превышения импульсной электрической прочности жидкостей над импульсной электрической прочностью твердых диэлектриков в области малых времен разряда. Это явление легло в основу разработки высоковольтных электроимпульсных технологических установок для разрушения горных пород, руд и других твердых диэлектрических и полупроводящих материалов (бетон, кварц, керамика, корунд и т.п.).

Работы в области электроимпульсного дробления до 1989 г. выполнялись в НИИ высоких напряжений (руководители - В.И. Курец, Э.Н. Таракановский) совместно с институтом "Механобр" (С-Петербург). Был разработан и принят в эксплуатацию дробильно-измельчительный комплекс (ДИК-1) для измельчения геологических проб. Были созданы такжк установки для выделения драгоценных органочных камней, переработки шлаков золотоплатиновых производств, измельчения кварцевого сырья и др. Преимущества электроимпульсного способа дробления по сравнению с механическими заключается в более высокой избирательности разрушения, возможности регулирования гранулометрического состава, значительно меньшем загрязнении готового продукта металлом.

Основные результаты работ в области электроимпульсной технологии можно сформулировать следующим образом:

- созданы научные основы электроимпульсной технологии;

- определены сферы наиболее эффективного ее внедрения;

- выбраны оптимальные схемы технологических процессов и созданы работоспособные конструкции установок и их элементов;

- проведены промышленные испытания отдельных образцов.

В 1957 г. в ТПИ под руководством Г.А. Воробьева и Г.А. Месяца были начаты работы в области высоковольтной наносекундной техники. Появилась возможность углубить исследования физики пробоя диэлектриков, а также приступить к разработке источников сильноточных электронных пучков. В последующем работы по электронным пучкам выделились в самостоятельный раздел прикладной физики - сильноточную электронику - и привели к созданию в 1977 г. Института сильноточной электроники СО АН СССР.

Открытие в 1961 г. при кафедре ТВН проблемной лаборатории электроимпульсного разрушения горных пород, а в 1968 г. создание при ТПИ НИИ высоких напряжений стимулировали разработку высоковольтной аппаратуры технологического назначения. Была разработана серия генераторов импульсного напряжения 300-600 кВ. Высокие частота и КПД схемы достигались применением зарядных индуктивностей между ступенями генератора и зарядного дросселя. Конструкция этих генераторов позволила работать на открытом воздухе и транспортировать установки. В последующем продолжилось совершенствование генераторов технологического назначения с целью повышения их КПД, надежности и срока службы, уменьшения уровня шума и помех.

Широкое внедрение силовой полупроводниковой техники, постоянный рост мощностей генераторов и потребителей электроэнергии, увеличение уровня токов короткого замыкания в энергосистемах потребовали разработки новых типов отключающих аппаратов, способных надежно защитить электрооборудования в аварийных режимах. Одним из направлений создания таких аппаратов является использование энергии взрыва для сверхбыстрого разъединения контактов и гашения электрической дуги отключения.

Разработка взрывных коммутаторов (ВК) проводилась в НИИ ВН с 1968 г. (руководитель - В.Л. Корольков) по трем основным направлениям:

- токоограничивающие ВК (предохранители) для защиты полупроводниковых преобразователей;

- синхронизированные ВК (генераторные выключатели);

- взрывные короткозамыкатели.

В результате проведенных исследований определены основные закономерности протекания процесса отключения тока взрывом, разработан ряд новых технологических решений, на которые было получено более 100 авторских свидетельств на изобретения.

Совместно с кафедрой промышленной электроники разработаны и выпускались малыми сериями малогабаритные высоковольтные источники на базе высокочастотных преобразователей, предназначенные для заряда высоковольтных накопительных конденсаторов, питания импульсных и непрерывных лазеров, импульсного ускорения плазмы и т.д.

С 1976 г. были начаты работы по созданию под общим научным руководством академика А.М. Прохорова мощных электроразрядных СО2-лазеров. Если на начальных этапах этих работ институт ограничивался в основном разработкой и изготовлением источников накачки СО2-лазеров, то с 1981 г. институт приступил к разработке и изготовлению самих лазеров. Потребовалось изучение природы и характеристик объемного самостоятельного разряда в газовых смесях на основе СО2 при атмосферном давлении, разработка высокоэффективных предыонизаторов, оригинальных схем накачки, способов повышения коэффициента использования объема рабочей смеси на основе новых принципов формирования объемного разряда.

В 1984 г. в институте был запущен лазер с энергией излучения до 3 кДж и рекордной на то время апертурой излучения, в 1987 г. - действующий макет лазера с объемом рабочей смеси 320 л, межэлектродным расстоянием до 50 см и энергией излучения до 10 кДж. В 1988 г. был получен объемный разряд в межэлектродном промежутке 70 см, что примерно вдвое превосходит этот параметр у действующих лазеров. Этими работами руководили Б.В. Семкин и Б.Г. Шубин.

В 1980 г. были завершены разработка, изготовление и испытания излучателя электромагнитного импульса. Работа выполнялась под организационным руководством В.С. Колесникова. Ее выполнение послужило стимулом для развития и укрепления инженерно-технических и вспомогательных служб (конструкторского отдела, отдела снабжения, экспериментальных мастерских и др.); институт оборудовал второй загородный полигон. В 1985 г. с участием НИИ ВН было завершено сооружение крупномасштабного сильноточного ускорителя с уникальными параметрами. Общее руководство работами, порученными НИИ высоких напряжений, осуществляли В.Я. Ушаков и А.А. Дульзон.

Две группы сотрудников под руководством В.Б. Шнейдера (в 1984 г.) и В.Л. Королькова (в 1987 г.) начали работы по созданию мощных электродинамических установок для реализации идей в области высокоскоростного синтеза сверхтугоплавких материалов. Основой для таких работ послужили накопленный в институте опыт применения энергии взрывчатых веществ в мощной импульсной энергетике и наличие специалистов одинаково хорошо ориентирующихся как в высоковольтной электрофизике, так и в физико-химии, а также опыт разработки высоковольтных импульсных источников на основе индуктивных накопителей энергии с прерывателями тока в виде электрически взрываемых проводников.